自動(dòng)變速器電磁閥性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

陸玲亞，張美娟，王吉華，樊榮

(1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121；2.中國(guó)一汽無(wú)錫油泵油嘴研究所燃料電池部，江蘇無(wú)錫 214063；3.無(wú)錫明恒混合動(dòng)力技術(shù)有限公司技術(shù)中心，江蘇無(wú)錫 214187)

0 前言

電磁閥是自動(dòng)變速器的核心零部件，其功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車的工況變化，適時(shí)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的主油壓、蓄壓器的背壓、液壓執(zhí)行元件的動(dòng)作油壓以進(jìn)行精確的選換擋和離合器控制，使汽車獲得良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染，提高車輛行駛的安全性、乘坐舒適性和操縱輕便性。

在自動(dòng)變速器中，電磁閥的作用非常重要，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)電磁閥才能將變速器計(jì)算機(jī)發(fā)出的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓的變化。電磁閥調(diào)節(jié)出的油壓作用在各個(gè)油壓調(diào)節(jié)閥上，從而控制各離合器的工作油壓。因此，電磁閥的正常與否直接關(guān)系到變速器換擋品質(zhì)的好壞。在工作時(shí)，電磁閥處于承壓狀態(tài)并且隨著車輛工況的不同需要頻繁動(dòng)作，所以電磁閥也是整個(gè)系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)故障的零部件，而這些故障可導(dǎo)致變速器脫擋、掛不上擋或者換擋速度慢，造成車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性下降，零部件磨損加劇等后果，甚至影響車輛的安全性。因此，電磁閥性能試驗(yàn)是變速器電磁閥生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。

在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)臺(tái)是對(duì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試必不可少的手段和設(shè)備。由于開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品類型多樣，測(cè)試要求往往也不同，通用設(shè)備并不適用，這時(shí)通常采用自行設(shè)計(jì)的方式來(lái)滿足設(shè)計(jì)所需，這種試驗(yàn)臺(tái)的研制需配合產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者分別針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、PLC控制、安全保障等做了大量研究。針對(duì)通用試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法測(cè)試超越離合器產(chǎn)品的單項(xiàng)綜合性能，朱林和石光林設(shè)計(jì)了一款具備針對(duì)性測(cè)試功能的試驗(yàn)臺(tái)，為生產(chǎn)商和用戶提供了有益的綜合性能數(shù)據(jù)。黃浩、王起新等根據(jù)設(shè)計(jì)性能和指標(biāo)設(shè)計(jì)了液壓多路閥的相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)。谷曼設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能模擬汽車行駛中的典型工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)變速器的綜合性能測(cè)試。謝鯤和楊成東根據(jù)電液比例閥的技術(shù)要求和檢測(cè)方法研究控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)的組成，研制了綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和在線檢測(cè)提供了依據(jù)和試驗(yàn)手段。

本文作者設(shè)計(jì)一款自動(dòng)變速器電磁閥性能試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)臺(tái)能便捷地采集數(shù)據(jù)，操作界面友好；能模擬電磁閥在車輛上的實(shí)際工況，分析得出電磁閥的關(guān)鍵性指標(biāo)，為樣品分析以及改進(jìn)措施提供參考。

1 試驗(yàn)臺(tái)的硬件組成和工作原理

圖1所示為自動(dòng)變速器電磁閥性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖，試驗(yàn)臺(tái)主要由液壓系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等組成。液壓系統(tǒng)模擬車輛的穩(wěn)定油源。測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)控制策略驅(qū)動(dòng)被測(cè)電磁閥按指定規(guī)律工作，并采集相關(guān)信號(hào)，將處理所得數(shù)據(jù)顯示和保存。當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，測(cè)控單元通過(guò)警報(bào)器報(bào)警，并顯示可能出現(xiàn)的故障類型。試驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，如果不加控制，液壓油將隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而產(chǎn)生升溫變化。在不同溫度下，液壓油的特性不同，這將影響試驗(yàn)臺(tái)的性能和試驗(yàn)結(jié)果。在車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，液壓油受到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的作用使之保持在一定的穩(wěn)定值，因此試驗(yàn)臺(tái)需要通過(guò)溫控系統(tǒng)將液壓油的溫度控制在穩(wěn)定值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

液壓系統(tǒng)的原理如圖2所示。整個(gè)液壓系統(tǒng)由油泵電機(jī)組提供油源。測(cè)試對(duì)象為不同類型的電磁閥，額定壓力最大為20 MPa、額定流量最大為12 L/min。采用背壓方式產(chǎn)生液壓缸工作負(fù)載?？紤]利用一個(gè)液壓系統(tǒng)完成多種閥的性能測(cè)試，以避免搭建多套液壓系統(tǒng)，減小設(shè)備的空間體積，提高液壓元件的綜合利用率,采用模塊化設(shè)計(jì)、快速裝夾的方式更換測(cè)試電磁閥。試驗(yàn)臺(tái)上的所有控制閥、測(cè)壓接頭及壓力傳感器均安裝于閥塊上，可盡量減少故障的發(fā)生且利于拆裝。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

(1)液壓泵的選擇

①液壓泵的最大工作壓力

≥+ΣΔ

式中：為液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力；ΣΔ為從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失壓力。ΣΔ初算時(shí)按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取：管路簡(jiǎn)單、流速不大的，取ΣΔ=(0.2～0.5)MPa；管路復(fù)雜、進(jìn)口有調(diào)閥的，取ΣΔ=(0.5～1.5)MPa。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，液壓泵的最大工作壓力設(shè)定為20.5 MPa。

②液壓泵的流量

多液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，液壓泵的輸出流量應(yīng)為

≥(Σ)

式中：為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取=1.1～1.3，文中取1.2；Σ為同時(shí)動(dòng)作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量，根據(jù)-特性圖查得。對(duì)于在工作過(guò)程中用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取0.5×10m/s。

系統(tǒng)的最大工作流量為12 L/min，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，預(yù)選液壓泵的流量為12～15 L/min。

③液壓泵的規(guī)格

一般情況下，為使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力應(yīng)比最大工作壓力大。根據(jù)計(jì)算所得和值，綜合應(yīng)用條件，選用液壓泵類型為柱塞泵，容積效率為90%、公稱排量為8 mL/r、額定壓力為21 MPa、額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。

(2)油箱的選擇

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定油箱容積，通常為液壓泵每分鐘排出體積額定值的3～5倍，則選擇油箱的容積為60 L。

(3)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

根據(jù)液壓泵的流量和壓力計(jì)算所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。

液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率：

式中：為液壓泵壓力，MPa；為液壓泵流量，L/min；為液壓泵總效率。

考慮液壓系統(tǒng)的壓力損失和流量損失，液壓泵壓力取21 MPa、液壓泵流量取12 L/min、液壓泵總效率取81%，代入上式計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率約為5.18 kW。

最終，選定一款三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為5.5 kW，轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。

(4)過(guò)濾器選擇

要求液壓油箱的過(guò)濾精度不得低于40 μm，液壓管路的過(guò)濾精度不得低于10 μm。

2.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)采用風(fēng)冷形式。一般來(lái)講，風(fēng)冷器的選擇計(jì)算有流量計(jì)算法、發(fā)熱功率估算法、功率損耗計(jì)算法，此方案采用發(fā)熱功率估算法。取系統(tǒng)總功率的1/3～1/2作為液壓系統(tǒng)油溫發(fā)熱功率，即根據(jù)系統(tǒng)總功率估算出液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率，再按照液壓系統(tǒng)需要的正常溫度，算出當(dāng)量冷卻功率。計(jì)算公式如下：

=·(13～12)(kW)

=(-)(kW/℃)

式中：為損耗功率，kW；為當(dāng)量冷卻功率，kW/℃；為期望的油溫70 ℃；為環(huán)境溫度30 ℃。

由前面的計(jì)算可知為5.5 kW，系數(shù)取1/2，則為2.75 kW，為0.068 75 kW/℃。根據(jù)計(jì)算出的當(dāng)量冷卻功率，依照風(fēng)冷卻器的散熱性能曲線即可選擇出匹配的風(fēng)冷器。選擇風(fēng)冷器的功率為70 W，流量為3～60 L/min。

2.3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)

圖3所示為測(cè)控系統(tǒng)的硬件框圖, 單片機(jī)選用MC9S12C32型單片機(jī)，采集液壓系統(tǒng)油路的壓力、溫度、流量、電壓及電流信號(hào)，并經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥的動(dòng)作。上位機(jī)采用工控機(jī)，用于設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，發(fā)送操作指令，接收試驗(yàn)數(shù)據(jù)并處理，顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，判斷電磁閥和液壓系統(tǒng)的工作狀況。上下位機(jī)采用串行總線通信。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)硬件框圖

單片機(jī)的輸出信號(hào)為低功率信號(hào)，不能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，需要對(duì)它進(jìn)行功率放大。圖4所示為電磁閥驅(qū)動(dòng)電路圖，圖中Q1為功率放大元件MOSFET管、V-BATT為+24 V電源，當(dāng)Control_signal為高電平時(shí)Q1導(dǎo)通，電流從V-BATT流入電磁閥，再經(jīng)過(guò)Q1到GND，電磁閥開(kāi)啟；當(dāng)Control_signal為低電平時(shí)Q1截止，電流無(wú)法形成從V-BATT流經(jīng)電磁閥到GND的回路，電磁閥關(guān)閉。當(dāng)需要輸出大小可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，Control_signal為PWM控制信號(hào)，Q1的輸出為同周期同占空比的PWM輸出，使PWM的周期遠(yuǎn)小于電磁閥芯的響應(yīng)周期, 閥芯的運(yùn)動(dòng)將只響應(yīng)PWM信號(hào)的平均值，PWM信號(hào)的平均值隨著占空比的增大而增大，調(diào)節(jié)PWM的占空比即能實(shí)現(xiàn)電磁閥驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)節(jié)。

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

(2)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)用于電磁閥的性能檢測(cè)，主要包括：流量特性、響應(yīng)特性、密封性?；谝陨蠝y(cè)試要求，設(shè)計(jì)了性能測(cè)試系統(tǒng)。控制軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，包括主模塊和各功能子模塊。編程過(guò)程模塊化，將主控程序分成若干子程序和中斷服務(wù)程序，單獨(dú)編寫(xiě)、調(diào)試各個(gè)功能塊程序，最后將它們連接在一起形成控制程序。圖5所示為其控制流程。

圖5 控制單元軟件流程

雖然比例減壓電磁閥與換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的特性不同，導(dǎo)致它們的驅(qū)動(dòng)策略不同，但均可采用圖6所示的模擬信號(hào)處理電路，并且Control_signal都為PWM信號(hào)，只是PWM周期頻率以及變化規(guī)律不同，可以共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。不同的PWM模塊配置參數(shù)存儲(chǔ)在24C16中，試驗(yàn)開(kāi)始前根據(jù)不同的輸入條件選擇配置參數(shù)。

圖6 模擬信號(hào)處理電路

3 試驗(yàn)

圖7所示為自主設(shè)計(jì)的自動(dòng)變速器電磁閥性能試驗(yàn)臺(tái)，能測(cè)量自動(dòng)變速器用電磁閥的壓力特性、流量特性、密封性能、滯回特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等性能指標(biāo)以及溫度對(duì)電磁閥性能的影響。圖8所示為試驗(yàn)臺(tái)顯示界面。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)操作面板(見(jiàn)圖9)，根據(jù)不同類型的電磁閥(被測(cè)電磁閥見(jiàn)圖10)，選擇相對(duì)應(yīng)的邏輯組合表，打開(kāi)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)油液方向的變換以選擇不同的油路通道。在出油口管路增加背壓閥，通過(guò)調(diào)節(jié)背壓實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化，測(cè)量不同工況下電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、流量和密封性。

圖7 自動(dòng)變速器電磁閥性能試驗(yàn)臺(tái)

圖8 試驗(yàn)臺(tái)顯示界面

圖9 試驗(yàn)臺(tái)操作面板

圖10 被測(cè)電磁閥

采用邏輯組合表的目的是為確保不同的電磁閥在通電與不通電狀態(tài)下，控制口與回油口及出油口的連通狀態(tài)，以測(cè)量不同管路的流量和泄漏量。

3.1 比例減壓電磁閥試驗(yàn)

(1)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)

通過(guò)給定電磁閥階躍控制脈沖，測(cè)量電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。圖11所示為比例減壓電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，可知：開(kāi)啟動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.018 s、關(guān)閉時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.041 s。

圖11 比例減壓電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)

(2)流量試驗(yàn)

試驗(yàn)條件為：24 V工作電壓下、頻率為200 Hz、進(jìn)口壓力為7.5 MPa。試驗(yàn)時(shí)，控制占空比由5%加大到95%(此過(guò)程為電磁閥打開(kāi)過(guò)程)再降到0(此過(guò)程為電磁閥關(guān)閉過(guò)程)。圖12所示為流量與占空比的關(guān)系，可知：該電磁閥最大流量可達(dá)12 L/min，基本呈線性關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果還可以反映出電磁閥的滯回關(guān)系，該電磁閥的滯回曲線與理想曲線有一定差別，說(shuō)明有改進(jìn)空間。

圖12 比例減壓電磁閥流量與占空比關(guān)系

(3)密封性能試驗(yàn)

在進(jìn)口壓力為7.5 MPa時(shí)，電磁閥完全關(guān)閉，測(cè)量此時(shí)出油口的泄漏量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在7.5 MPa、40 ℃時(shí)，泄漏量為2.0 mL/min。

3.2 換擋開(kāi)關(guān)電磁閥試驗(yàn)

(1)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)

換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)方法與比例減壓電磁閥類似，測(cè)試結(jié)果如圖13所示?？芍洪_(kāi)啟動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.015 s，關(guān)閉時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.054 s。

圖13 換擋開(kāi)關(guān)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)

(2)流量試驗(yàn)

在進(jìn)口壓力為7.5 MPa時(shí)，首先測(cè)量0 V電壓時(shí)的流量，再給開(kāi)關(guān)閥加電24 V(此時(shí)電磁閥打開(kāi))，然后電壓降到0 V(此時(shí)電磁閥關(guān)閉)。流量試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，可知：在電流為0.45 A時(shí)，換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的流量可達(dá)15.5 L/min。

圖14 換擋開(kāi)關(guān)電磁閥流量曲線

(3)密封性能試驗(yàn)

電磁閥完全關(guān)閉時(shí)，測(cè)量出油口的泄漏量；電磁閥完全打開(kāi)時(shí)，測(cè)量回油口的泄漏量。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，電磁閥關(guān)閉時(shí)的泄漏量為1.6 mL/min,電磁閥開(kāi)啟時(shí)的泄漏量為5 mL/min。

4 結(jié)論

本文作者采用模塊化設(shè)計(jì)研制了一款自動(dòng)變速器電磁閥的性能試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)包括液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)選用柱塞泵、三相異步電動(dòng)機(jī)、油箱容積60 L。采用風(fēng)冷進(jìn)行溫控。測(cè)控系統(tǒng)的核心為MC9S12C32，單片機(jī)發(fā)出PWM或開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)MOSFET管進(jìn)行功率放大,驅(qū)動(dòng)電磁閥使電磁閥完成指定動(dòng)作，接收并處理傳感器的信號(hào)，完成規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)后結(jié)束試驗(yàn)。通過(guò)上位機(jī)設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，并顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù),判斷電磁閥和液壓系統(tǒng)的工作狀況。

在該試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)被測(cè)電磁閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性、流量和密封性測(cè)試，得出以下結(jié)論：

(1)該試驗(yàn)臺(tái)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，人機(jī)交互界面友好，數(shù)據(jù)采集和結(jié)果處理方便快捷；

(2)通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)多種電磁閥進(jìn)行試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的快速裝夾機(jī)構(gòu)方便電磁閥的安裝；

(3)該試驗(yàn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)變速器相關(guān)電磁閥的性能測(cè)試，包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，得出電磁閥的可靠性指標(biāo)，為樣品分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。